三维网格模型重建与优化系统的研究和开发

论文摘要

为充分利用工业CT技术在逆向工程领域的应用优势,本文开发了一个以基于工业CT断层图像的三维网格模型重建和优化软件系统——3DRCS（3D Re-Construction System）软件系统。该系统可由CT图像系列重建出产品三维网格模型。为使网格模型满足各种后续应用,本文还为软件系统添加了端面修复、网格平滑、网格简化等优化功能,这些功能模块衔接有序。首先,介绍了本文的总体思路及软件的主要功能模块。针对主要研究对象——三维网格模型中的复杂拓扑关系,本文为各几何元素建立了相应的元素类,并引入链式Hash表作为管理各元素类的数据结构。拓扑关系的剖析和数据结构的建立,为后续的重建和优化打下基础。然后,本文研究了基于工业CT断层图像的三维重建方法。针对MC（Marching Cubes）与MT（Marching Terahedra）重建方法的不同特点,将两种重建方法运用于软件系统,以满足各种重建要求。为保证模型的封闭和完整,本文通过添加体元来保证重建出来的模型上下端面封闭,通过引入复杂多边形Delaunay三角剖分方法来填充被分割过模型的端面。为消除网格模型表面的凹凸不平,本文汲取顶点预测平滑、拉普拉斯平滑和曲率平滑方法的特点,引入了一种新的特征保持网格平滑算法。该方法在保持模型特征的前提下,有效地提高模型表面的光顺度,而且平滑处理后的网格规则性良好。为便于模型的显示、传输和处理,需要对模型数据进行简化。本文引入了一种基于顶点预测的网格简化方法。该方法充分利用顶点预测方法的特征保护特点,并引人了角度误差控制方法,使网格简化能够尽可能不破坏模型的特征和光顺度。最后,本文提出和引入的算法都在所开发的3DRCS软件系统中得到实现。为实现模型的实时显示和提高软件的实用性,软件系统还提供了平移、旋转、缩放、剖视等显示与交互操作功能。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及问题提出
• 1.1.1 逆向工程技术概述
• 1.1.2 工业CT 技术概述
• 1.1.3 工业CT 技术在逆向工程的应用
• 1.2 基于工业CT 生成重建和优化的研究现状
• 1.3 课题来源
• 1.4 课题的研究内容和意义
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究意义
• 1.5 本文的组织结构
• 2 总体思路与相关概念
• 2.1 总体思路
• 2.2 三维网格模型
• 2.3 网格元素的拓扑关系
• 2.3.1 网格中的几何元素
• 2.3.2 网格中的拓扑关系
• 2.4 基于链式散列表的数据结构
• 2.5 本章小结
• 3 基于工业 CT 图像的网格重建
• 3.1 体数据获取
• 3.2 三维重建方法
• 3.3 MC 算法
• 3.3.1 体元与等值面的位置关系
• 3.3.2 构造等值面
• 3.3.3 MC 算法实现流程
• 3.4 MT 算法
• 3.5 网格端面修复
• 3.5.1 修改体元方法
• 3.5.2 端面填充
• 3.6 本章小结
• 4 网格平滑处理
• 4.1 网格平滑概述
• 4.1.1 相关内容
• 4.1.2 典型平滑算法简介
• 4.2 基本概念
• 4.2.1 网格元素间的拓扑关系
• 4.2.2 网格顶点的法向量
• 4.2.3 噪声与特征
• 4.3 网格平滑方法
• 4.3.1 基本思路
• 4.3.2 基本内容
• 4.4 平滑效果
• 4.5 本章小结
• 5 网格模型的简化
• 5.1 三角形折叠法
• 5.2 顶点预测
• 5.3 误差控制
• 5.3.1 角度误差与距离误差
• 5.3.2 误差控制
• 5.3.3 边界保持
• 5.3.4 三角环区域处理
• 5.4 算法描述
• 5.5 实例及比较
• 5.6 本章小结
• 6 系统设计与功能实现
• 6.1 软件设计与功能
• 6.2 软件实现
• 6.3 应用实例
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录